DESI menciptakan peta 3D terbesar di alam semesta

Tomografi komputasi 3D alam semesta dari DESI. Bumi berada di kiri bawah, melihat lebih dari 5 miliar tahun cahaya ke arah konstelasi Virgo. Saat video berlangsung, perspektif bergeser ke arah konstelasi Bootes. Setiap titik berwarna mewakili galaksi yang terdiri dari ratusan miliar bintang. Gravitasi telah menarik galaksi ke dalam “jaring kosmik” yang terdiri dari gugus, filamen, dan ruang hampa yang padat. Kredit: D. Schlegel/Berkeley Lab menggunakan data dari DESI

instrumen spektroskopi energi gelapDESI) telah menutup tujuh bulan pertama surveinya dengan memecahkan semua rekor survei galaksi 3D sebelumnya, menciptakan peta alam semesta terbesar dan terinci yang pernah dibuat. Namun, itu hanya mendekati 10% dari jalan selama misi lima tahun. Setelah selesai, peta 3D yang sangat detail ini akan menghasilkan pemahaman yang lebih baik tentang energi gelap, sehingga memberi fisikawan dan astronom pemahaman yang lebih baik tentang masa lalu dan masa depan alam semesta. Sementara itu, kinerja teknis yang luar biasa dan pencapaian kosmik dari survei sejauh ini membantu para ilmuwan mengungkap rahasia sumber cahaya paling kuat di alam semesta.

DESI adalah kolaborasi sains internasional yang dikelola oleh Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Laboratorium Berkeley) Departemen Energi dengan pendanaan awal untuk konstruksi dan operasi dari Kantor Sains Departemen Energi.

Ilmuwan DESI mempresentasikan kinerja instrumen, dan beberapa hasil astrofisika awal, minggu ini di webinar yang diselenggarakan oleh Berkeley Lab yang disebut CosmoPalooza, yang juga akan menampilkan pembaruan dari eksperimen kosmologi perintis lainnya.

“Ada banyak keindahan di dalamnya,” kata Julian Gay, ilmuwan Berkeley Lab, salah satu pembicara. “Dalam distribusi galaksi di peta 3D, ada kelompok besar, filamen, dan rongga. Mereka adalah struktur terbesar di alam semesta. Tapi di dalamnya, Anda menemukan jejak alam semesta paling awal, dan sejarah ekspansinya. Dari dulu.”

DESI telah menempuh perjalanan panjang untuk sampai ke titik ini. Ini awalnya diusulkan lebih dari satu dekade yang lalu, dan konstruksi perangkat dimulai pada 2015. Itu dipasang di Teleskop Nicholas U Maywell 4 meter di Kate Summit Observatory dekat Tucson, Arizona. Observatorium Nasional Kitt Peak adalah program dari National Science Foundation (NSF) NOIRLab, yang dikontrak oleh Departemen Energi untuk mengoperasikan Teleskop Mayall untuk survei DESI. Instrumen itu melihat cahaya pertamanya pada akhir 2019. Kemudian, selama fase validasinya, pandemi virus corona melanda, dan teleskop mati selama beberapa bulan, meskipun beberapa pekerjaan jarak jauh berlanjut. Pada bulan Desember 2020, DESI mengalihkan pandangannya ke langit lagi, menguji perangkat keras dan perangkat lunaknya, dan pada Mei 2021 siap untuk memulai survei ilmiahnya.

Geser melalui peta galaksi 3D dari Sloan Digital Sky Survey yang telah selesai.

Sepotong di peta 3D galaksi dari beberapa bulan pertama Spektroskopi Energi Gelap (DESI; kanan). Bumi terletak di pusat, dan galaksi-galaksi terjauh berjarak lebih dari 10 miliar tahun cahaya darinya. Setiap titik mewakili satu galaksi. Irisan 2D dari peta 3D DESI ini hanya menunjukkan sekitar 800.000 dari 7,5 juta galaksi yang saat ini dipindai, yang dengan sendirinya hanya sebagian kecil dari 35 juta galaksi yang akan ada di peta akhir. Kredit: D. Schlegel/Berkeley Lab menggunakan data dari DESI

Namun pengerjaan DESI sendiri belum selesai begitu survei dimulai. “Ini sedang dalam proses untuk membuat alat ini bekerja,” kata fisikawan Ohio State University Klaus Hünscheid, seorang ilmuwan mesin yang terlibat dalam proyek tersebut, yang akan mempresentasikan makalah pertama dari sesi CosmoPalooza DESI. Honscheid dan timnya memastikan bahwa alat tersebut berjalan dengan lancar dan otomatis, idealnya tanpa gangguan apa pun selama pemantauan malam hari. “Umpan balik yang saya dapatkan dari pengamat malam adalah bahwa shift itu membosankan, dan saya menganggapnya sebagai pujian,” katanya.

Namun throughput yang monoton ini memerlukan kontrol yang sangat detail dari masing-masing 5.000 robot canggih yang menempatkan serat optik pada instrumen DESI, memastikan bahwa posisinya akurat hingga dalam 10 mikron. “Sepuluh mikron sangat kecil,” kata Honshed. “Ini kurang dari ketebalan rambut manusia. Dan Anda harus menempatkan setiap robot untuk mengumpulkan cahaya dari galaksi yang jaraknya miliaran tahun cahaya. Setiap kali saya memikirkan sistem ini, saya bertanya-tanya bagaimana kita bisa mencapainya? Keberhasilan DESI sebagai alat adalah sesuatu yang bisa dibanggakan.”

Melihat warna sebenarnya dari energi gelap

tingkat ini kesehatan Hal ini diperlukan untuk menyelesaikan misi utama survei: untuk mengumpulkan gambar spektrum warna terperinci dari jutaan galaksi di lebih dari sepertiga dari seluruh langit. Dengan memecah cahaya dari masing-masing galaksi ke dalam spektrum warna mereka, DESI dapat mengukur pergeseran merah cahaya – membentang ke arah ujung merah spektrum dengan perluasan alam semesta selama miliaran tahun perjalanan sebelum mencapai Bumi. Pergeseran merah inilah yang membuat DESI melihat kedalaman langit.

Semakin besar pergeseran merah spektrum galaksi secara umum, semakin jauh darinya. Dengan peta 3D alam semesta di tangan, fisikawan dapat memetakan kluster dan superkluster galaksi. Struktur-struktur itu menggemakan formasi awal mereka, ketika mereka hanyalah riak-riak di alam semesta bayi. Dengan memicu gema ini, fisikawan dapat menggunakan data DESI untuk menentukan sejarah ekspansi alam semesta.

Quasar baru yang ditemukan dengan DESI memberikan gambaran sekilas tentang alam semesta seperti hampir 13 miliar tahun yang lalu, kurang dari satu miliar tahun setelah Big Bang. Ini adalah quasar DESI terjauh yang terdeteksi sejauh ini, dari pilihan quasar DESI redshift yang sangat tinggi. Latar belakang menunjukkan quasar ini dan sekitarnya dalam Survei Fotogrametri Warisan DESI. Kredit: Jenny Yang, Steward Observatory/University of Arizona

Tujuan ilmiah kami adalah untuk mengukur sidik jari gelombang di primordial plasmakata pria. “Sungguh menakjubkan bahwa kami benar-benar dapat mendeteksi efek gelombang ini setelah miliaran tahun, dan begitu cepat dalam survei kami.”

Memahami sejarah ekspansi sangat penting, karena tidak kurang dari nasib seluruh alam semesta yang dipertaruhkan. Saat ini, sekitar 70% dari isi alam semesta adalah energi gelap, suatu bentuk energi misterius yang mendorong ekspansi alam semesta lebih cepat. Saat alam semesta mengembang, lebih banyak energi gelap muncul, mempercepat ekspansi lebih jauh, dalam siklus yang mendorong sebagian energi gelap di alam semesta ke atas. Energi gelap pada akhirnya akan menentukan nasib alam semesta: akankah ia berkembang selamanya? Akankah dia jatuh pada dirinya sendiri lagi, di ledakan besar ke belakang? Atau akankah dia merobek dirinya sendiri? Menjawab pertanyaan-pertanyaan ini berarti belajar lebih banyak tentang bagaimana energi gelap berperilaku di masa lalu – dan untuk itulah DESI dirancang. Dan dengan membandingkan sejarah ekspansi dengan sejarah pertumbuhan, para kosmolog dapat memverifikasi apakah teori relativitas umum Einstein dapat bertahan di atas bentangan ruang dan waktu yang sangat luas ini.

Lubang hitam dan galaksi terang

Tetapi memahami nasib alam semesta harus menunggu sampai DESI menyelesaikan lebih banyak surveinya. Sementara itu, DESI telah mendorong terobosan dalam pemahaman kita tentang masa lalu yang jauh, lebih dari 10 miliar tahun yang lalu ketika galaksi masih muda.

“Ini benar-benar menakjubkan,” kata Ragadeepika Pucha, seorang mahasiswa pascasarjana Universitas Arizona dalam bidang astronomi yang bekerja di DESI. “DESI akan memberi tahu kita lebih banyak tentang fisika pembentukan dan evolusi galaksi.”

Pucha dan rekan-rekannya menggunakan data DESI untuk memahami perilaku lubang hitam bermassa sedang di galaksi kecil. Lubang hitam supermasif diperkirakan menghuni jantung hampir setiap galaksi besar, seperti galaksi kita Bima Sakti. Tetapi apakah galaksi kecil selalu memiliki lubang hitam (lebih kecil) di dalam inti mereka atau tidak. Lubang hitam hampir tidak mungkin ditemukan sendiri – tetapi jika mereka menarik material yang cukup, mereka akan menjadi lebih mudah untuk dideteksi. Ketika gas, debu, dan material lainnya jatuh ke dalam Lubang hitam Saat menghangat (ke suhu di atas inti bintang) dalam perjalanan ke daratan, inti galaksi aktif (AGN) terbentuk. Di galaksi besar, inti galaksi aktif adalah salah satu objek paling terang di alam semesta yang diketahui. Tetapi di galaksi yang lebih kecil, AGN bisa jauh lebih redup, dan sulit dibedakan dari bintang yang baru lahir. Spektrum yang ditangkap oleh DESI dapat membantu memecahkan masalah ini — dan seberapa jauh mereka menyebar di langit akan memberikan lebih banyak informasi tentang inti galaksi muda daripada sebelumnya. Inti-inti ini, pada gilirannya, akan memberi petunjuk kepada para ilmuwan tentang bagaimana AGN terbentuk di alam semesta awal.

Quasar – sekelompok galaksi terang yang beragam – termasuk di antara objek paling terang dan paling jauh. “Saya suka menganggapnya sebagai tiang lampu, melihat kembali sejarah alam semesta,” kata Victoria Fawcett, seorang mahasiswa pascasarjana astronomi di Universitas Durham di Inggris. Quasar adalah probe yang sangat baik dari alam semesta awal karena kekuatan mereka. Data DESI akan kembali ke waktu 11 miliar tahun.

Fawcett dan rekan-rekannya menggunakan data DESI untuk memahami evolusi quasar itu sendiri. Quasar diperkirakan mulai dikelilingi oleh selubung debu, yang memerahkan cahaya yang dipancarkannya, seperti matahari melalui kabut. Seiring bertambahnya usia, mereka mengeluarkan debu ini dan menjadi lebih biru. Tetapi teori ini sulit untuk diuji, karena kurangnya data tentang quasar merah. DESI mengubah itu, karena lebih banyak quasar telah ditemukan daripada survei sebelumnya, dengan 2,4 juta quasar diharapkan dalam data survei akhir.

“DESI benar-benar hebat karena dapat menangkap benda-benda yang lebih redup dan lebih merah,” kata Fawcett. Dia menambahkan bahwa ini memungkinkan para ilmuwan untuk menguji gagasan tentang evolusi quasar yang tidak dapat diuji sebelumnya. Dan ini tidak hanya terbatas pada quasar. “Kami menemukan sejumlah besar sistem eksotis, termasuk sampel besar dari hal-hal langka yang belum dapat kami pelajari secara detail sebelumnya,” kata Fawcett.

Ada lagi yang akan datang DESI. Survei tersebut telah mengkatalogkan lebih dari 7,5 juta galaksi dan menambahkan lebih banyak dengan kecepatan lebih dari satu juta galaksi per bulan. Pada November 2021 saja, DESI membuat katalog pergeseran merah 2,5 juta galaksi. Pada akhir operasinya pada tahun 2026, DESI diharapkan memiliki lebih dari 35 juta galaksi dalam katalognya, memungkinkan beragam penelitian kosmologi dan astrofisika.

“Semua data ini ada di sana, dan tinggal menunggu untuk dianalisis,” kata Bucha. “Dan kemudian kita akan menemukan banyak hal menakjubkan tentang galaksi. Bagi saya, itu mengasyikkan.”

DESI didukung oleh Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi dan Pusat Komputasi Ilmiah Nasional untuk Riset Energi, fasilitas pengguna dari Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi. Dukungan tambahan untuk DESI disediakan oleh Yayasan Sains Nasional AS, Dewan Fasilitas Sains dan Teknologi Inggris, Yayasan Gordon dan Betty Moore, Yayasan Heising-Simons, Komisi Perancis untuk Energi Alternatif dan Atom (CEA), Ilmu Pengetahuan Nasional dan Dewan Teknologi Meksiko, Kementerian Ekonomi Spanyol, lembaga anggota DESI.

Kolaborasi DESI mendapat kehormatan untuk mengizinkannya melakukan penelitian ilmiah di Gunung Iolkam Du’ag (Puncak Kitt), sebuah gunung yang menarik bagi bangsa Tohono O’odham.